【導(dǎo)讀】在電子工程領(lǐng)域，運(yùn)算放大器是構(gòu)建精確、可靠電路的核心組件之一，被廣泛應(yīng)用于信號(hào)放大、濾波、模擬計(jì)算和反饋控制等眾多領(lǐng)域。作為一種基礎(chǔ)但極為重要的組件，運(yùn)算放大器的性能直接影響到電路的精確度和穩(wěn)定性。它們不僅在模擬信號(hào)處理上發(fā)揮關(guān)鍵作用，還在數(shù)字系統(tǒng)的模擬前端電路中起著至關(guān)重要的作用。
在電子工程領(lǐng)域，運(yùn)算放大器是構(gòu)建精確、可靠電路的核心組件之一，被廣泛應(yīng)用于信號(hào)放大、濾波、模擬計(jì)算和反饋控制等眾多領(lǐng)域。作為一種基礎(chǔ)但極為重要的組件，運(yùn)算放大器的性能直接影響到電路的精確度和穩(wěn)定性。它們不僅在模擬信號(hào)處理上發(fā)揮關(guān)鍵作用，還在數(shù)字系統(tǒng)的模擬前端電路中起著至關(guān)重要的作用。例如，在醫(yī)療設(shè)備、精密測(cè)量?jī)x器以及通信系統(tǒng)中，運(yùn)算放大器的性能直接決定了整個(gè)系統(tǒng)的成敗。此外，運(yùn)算放大器的靈活性使其能夠適應(yīng)各種應(yīng)用需求，無(wú)論是簡(jiǎn)單的信號(hào)放大電路，還是復(fù)雜的模擬計(jì)算系統(tǒng)。
本次，中電網(wǎng)有幸邀請(qǐng)到深耕電源研發(fā)12年的資深工程師施博士參與測(cè)評(píng)。施博士主導(dǎo)并參與了多個(gè)高復(fù)雜度的電源設(shè)計(jì)項(xiàng)目，涵蓋從低噪聲、高精度測(cè)量到高頻信號(hào)處理等廣泛應(yīng)用，積累了深厚的技術(shù)和豐富的實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)。測(cè)評(píng)板卡是來(lái)自ADI的ADA4510-2，由全球排名前列的電子元器件授權(quán)代理商WT文曄提供。
ADA4510-2運(yùn)算放大器是一款集成了先進(jìn)技術(shù)和創(chuàng)新設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，不僅在性能上達(dá)到了行業(yè)頂尖水平，還在多種應(yīng)用場(chǎng)景中展現(xiàn)了其卓越的適應(yīng)能力。在接下來(lái)的評(píng)測(cè)中，施博士將解析這款運(yùn)算放大器的主要特性，包括其獨(dú)特的設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)、實(shí)際應(yīng)用效果，通過(guò)對(duì)ADA4510-2的簡(jiǎn)單評(píng)估，給工程師們提供一些參考。
了解ADA4510-2
ADA4510-2 是一款高精度、低噪聲的雙通道運(yùn)算放大器，具有40 V的高電壓范圍和軌到軌輸入/輸出特性，適用于信號(hào)鏈的各個(gè)環(huán)節(jié)。它采用ADI公司的DigiTrim?技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了極低的失調(diào)電壓（典型值：±5 μV，最大值：±20 μV）和失調(diào)電壓漂移（典型值：±70 nV/°C，最大值：±500 nV/°C），簡(jiǎn)化了溫度校準(zhǔn)過(guò)程。ADA4510-2 提供優(yōu)異的直流精度和交流性能，適合各種信號(hào)鏈應(yīng)用，解決系統(tǒng)失真和建立問(wèn)題。它具有?40°C至+85°C或?40°C至+125°C的工作溫度范圍，并采用8引腳SOIC_N封裝。極低的失調(diào)電壓和輸入失調(diào)電流，讓這款運(yùn)算放大器十分適合用在醫(yī)療儀器、精密電流測(cè)量、電子測(cè)試與測(cè)量等高要求領(lǐng)域。
ADA4510-2測(cè)評(píng)
接下來(lái)，將結(jié)合ADA4510-2的評(píng)估板EVAL-ADA4510-2，針對(duì)失調(diào)電壓和輸入失調(diào)電流進(jìn)行簡(jiǎn)單測(cè)試。
ADA4510-2 的全功能評(píng)估板（如圖1所示）是一款適用于快速原型制作的工具，專(zhuān)為雙通道低輸入偏置電流放大器設(shè)計(jì)，采用8引腳窄體SOIC封裝。評(píng)估板允許用戶自定義電路配置，配備邊緣安裝型SMA連接器，便于連接測(cè)試設(shè)備和其他電路。它還支持配置光電二極管傳感器，以加速評(píng)估過(guò)程，并提供光電二極管偏置連接，同時(shí)其保護(hù)走線設(shè)計(jì)旨在盡量減少漏電流。
圖1 EVAL-ADA4510-2評(píng)估板
在理想運(yùn)放的條件下，兩個(gè)輸入端上的電壓若均為0V，則輸出電壓也應(yīng)該等于0V。但在實(shí)際情況下，由于制造工藝和器件參數(shù)的不完美性，運(yùn)算放大器的兩個(gè)輸入端口并不完全相等，導(dǎo)致存在微小的電壓差，即輸入失調(diào)電壓。運(yùn)放的失調(diào)電壓參數(shù)則是直流噪聲的重要組成部分，也是評(píng)估一款運(yùn)放水平的重要參考要素。輸入失調(diào)電壓的測(cè)試電路如圖2所示。
圖2 輸入失調(diào)電壓測(cè)量電路
該測(cè)試電路以1001的增益放大輸入失調(diào)電壓，在Vout處使用萬(wàn)用表測(cè)量電壓，折合到輸入端(RTI)的失調(diào)電壓通過(guò)輸出電壓除以增益計(jì)算得出。從輸入端獲得源阻抗較小，因而產(chǎn)生的偏置電流對(duì)測(cè)量的失調(diào)電壓的影響可忽略不計(jì)。例如，流經(jīng)10Ω電阻的2nA偏置電流產(chǎn)生的折合到輸入端誤差為0.02μV。依據(jù)圖2原理圖，在評(píng)估板上焊接對(duì)應(yīng)器件，組合成測(cè)量電路，在26℃的環(huán)境溫度下，通入±20V電源，測(cè)得結(jié)果如圖3，圖4所示。
圖3 運(yùn)放供電電源
圖4 運(yùn)放輸出電壓
實(shí)際測(cè)得運(yùn)放輸出電壓值為12.7mV，除以增益可得失調(diào)電壓約為12.69uV。本次測(cè)量因條件有限，仍有許多不足之處，導(dǎo)致測(cè)量值有一定誤差。產(chǎn)生誤差的因素有如下幾點(diǎn)：
1.誤差源來(lái)自電路上寄生熱電偶節(jié)點(diǎn)，該熱電偶電壓范圍可達(dá)2μV/oC至40μV/oC以上，電阻等器件的兩個(gè)連接點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)大小相等、極性相反的熱電電壓。這兩個(gè)電壓會(huì)相互抵消，前提是假定兩者溫度完全相同。因此應(yīng)將評(píng)估板放置在小型密閉容器，減小測(cè)試電路中的氣流，使得所有熱電偶節(jié)點(diǎn)穩(wěn)定在同一溫度。密閉容器最好使用金屬盒子，同時(shí)減小電磁干擾。
2.所使用的貼片電阻精度不足帶來(lái)的誤差，同時(shí)也包括測(cè)量使用的萬(wàn)用表精度不足帶來(lái)的誤差。
與失調(diào)電壓類(lèi)似，在理想情況下，運(yùn)算放大器的輸入端并無(wú)電流流入。而實(shí)際上，始終存在兩個(gè)輸入偏置電流，即IB+和IB-。對(duì)運(yùn)放來(lái)說(shuō)，偏置電流是個(gè)問(wèn)題，因?yàn)楫?dāng)其流過(guò)外部阻抗時(shí)會(huì)產(chǎn)生電壓，進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)誤差增加。由于制造工藝問(wèn)題，兩個(gè)偏置電流幾乎總是不相等。這兩個(gè)偏置電流之差為輸入失調(diào)電流Ios。要測(cè)量輸入失調(diào)電流，則可使用圖5所示電路。
圖5 輸入失調(diào)電流測(cè)量電路
該測(cè)試電路應(yīng)插入大電阻RS與待測(cè)輸入端串聯(lián)，從而產(chǎn)生大小等于IB×RS的顯著額外失調(diào)電壓。如果之前已經(jīng)測(cè)量并記錄實(shí)際的VOS，則可以確定因RS變化而導(dǎo)致的VOS明顯變化，進(jìn)而可以輕松計(jì)算出IB。這樣即可得出IB+和IB–的值。IB的額定值是這兩個(gè)電流的平均值，即IB = (IB+ + IB–)/2。事實(shí)上，使用這個(gè)測(cè)量電路也可測(cè)量Vos，Ios，如圖6所示。
圖6 輸入失調(diào)電流測(cè)量電路配置
Rs通常選擇100k歐，若被測(cè)運(yùn)放偏置電流很小，應(yīng)選擇阻值更大的電阻減小誤差。本次測(cè)量Rs選擇1MΩ,R2選擇100KΩ,即增益為1001。以此測(cè)試電路，在評(píng)估板上焊接對(duì)應(yīng)器件，組合成測(cè)量電路，如圖7所示，S1、S2打開(kāi)（即杜邦線連接電阻）；
圖7 輸入失調(diào)電流測(cè)量接線
在26℃的環(huán)境溫度下，通入±20V電源，測(cè)得失調(diào)電流約為2.3pA。與測(cè)試失調(diào)電壓的情況相同，測(cè)量條件有效導(dǎo)致測(cè)得值相較于實(shí)際值仍有較大誤差，測(cè)量數(shù)據(jù)僅供參考。
應(yīng)用前景
1. 音頻處理：ADA4510-2運(yùn)算放大器可以用于音頻信號(hào)放大、濾波和調(diào)整等處理，以提高音頻設(shè)備的音質(zhì)和性能。
2. 生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理：在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，ADA4510-2可用于放大心電圖（ECG）、腦電圖（EEG）等生物電信號(hào)，以滿足醫(yī)療設(shè)備對(duì)信號(hào)精度和穩(wěn)定性的高要求。
3. 工業(yè)控制：ADA4510-2可用于工業(yè)控制系統(tǒng)中的信號(hào)處理，如傳感器信號(hào)放大、濾波和反饋控制等，以提高系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。
4. 通信設(shè)備：在通信領(lǐng)域，ADA4510-2可用于放大和處理射頻（RF）信號(hào)，提高無(wú)線通信設(shè)備的性能。
5. 汽車(chē)電子：ADA4510-2可用于汽車(chē)電子系統(tǒng)中的信號(hào)處理，如傳感器信號(hào)放大、噪聲抑制等，以提高汽車(chē)電子設(shè)備的可靠性和性能。
ADA4510-2的優(yōu)勢(shì)
1. 低噪聲：ADA4510-2 的低噪聲性能有助于減少信號(hào)處理過(guò)程中的噪聲干擾，可低為1 μV p-p（典型值），提高系統(tǒng)信噪比。
2. 高共模抑制比（CMRR）：ADA4510-2 具有較高的CMRR，具有140 dB（典型值），可以有效抑制共模干擾，提高信號(hào)的完整性和穩(wěn)定性。
3. 寬工作電壓范圍：ADA4510-2 支持寬的工作電壓范圍，6 V 至 40 V、±3 V 至 ±20 V，適應(yīng)各種電源環(huán)境，增強(qiáng)了其應(yīng)用靈活性。
4. 誤差極小： ADA4510-2本身誤差極小，標(biāo)準(zhǔn)情況下失調(diào)電壓可低為5uv，失調(diào)電流0.25pA。
5. 小型化封裝：ADA4510-2 采用小型化封裝，有利于減小PCB面積，降低系統(tǒng)成本。
6. 易于應(yīng)用：ADA4510-2 具有穩(wěn)定的性能和簡(jiǎn)單的應(yīng)用電路，便于工程師設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。
總結(jié)
通過(guò)對(duì)ADA4510-2運(yùn)算放大器的測(cè)評(píng)，可以看出這款產(chǎn)品在高精度、低噪聲、寬電壓范圍等方面表現(xiàn)非常出色，尤其適合應(yīng)用于要求苛刻的精密測(cè)量和信號(hào)處理領(lǐng)域。在實(shí)際測(cè)試中，雖然測(cè)量條件有一定限制，導(dǎo)致結(jié)果存在一定誤差，但依然驗(yàn)證了其低失調(diào)電壓和低失調(diào)電流的特性。ADA4510-2在多種應(yīng)用場(chǎng)景中展示了卓越的適應(yīng)能力，無(wú)論是音頻處理、生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理，還是工業(yè)控制和汽車(chē)電子領(lǐng)域，這款運(yùn)算放大器都能提供強(qiáng)大的支持。此外，它的小型化封裝和易于應(yīng)用的特點(diǎn)也使得其在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中具有很高的實(shí)用價(jià)值。
經(jīng)測(cè)試，ADA4510-2是一款非常值得推薦的運(yùn)算放大器，它不僅能滿足高精度電路設(shè)計(jì)的需求，還能為系統(tǒng)的整體性能提升提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
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